Выветривание как инженерно-геологический процесс
Процесс выветривания – его агенты, протекание, результаты и зональность рассматриваются в разделе общей геологии.
Под выветриванием понимается воздействие на горные породы и минералы многих факторов внешней среды, именуемых агентами выветривания. К агентам выветривания относят солнечные лучи, перепады температур, воду и атмосферный воздух как химические материалы, микроорганизмы, животные и растительные организмы с продуктами их разложения и выделениями и многое другое.
Термин выветривание происходит от немецкого слова weather, что в переводе на русский означает погода. Сходство слов выветривание и ветер чисто случайное, соответственно различными являются процессы выветривания и геологическая деятельность ветра.
Выветриванию подвержены все горные породы и минералы, возникшие в условиях, отличных от современных внешних – магматические, метаморфические, морские, ледниковые осадочные и т.п. Реально процессы выветривания не протекают только на площадях, перекрытых достаточно мощным почвенно-дерновым слоем с хорошо развитой растительностью. Распространенные здесь породы состоят из минералов, являющихся конечными продуктами выветривания – главным образом из каолинита, монтмориллонита, кварца и лимонита.
Можно выделить две группы случаев влияния процесса выветривания на инженерно-геологические условия строительства.
1. Основание сооружения располагается на корах выветривания - то есть на древних продуктах выветривания, сформировавшихся в предыдущие геологические эпохи и периоды. Коры выветривания обычно бывают представлены щебнистыми глинами с высокой степенью изменчивости разреза, состава и свойств и являются сложным объектом для изысканий, а соответственно для проектирования и строительства.
2. В отдельных случаях изыскателям и строителям приходится иметь дело с современным выветриванием, протекающим буквально «на глазах» и способным ощутимо ухудшать начальные свойства породы. Такое развитие событий возможно либо в естественных обнажениях, быстро вскрытых эрозией, либо в искусственных выемках на склонах карьерах котлованах, тоннелях.
Быстрому интенсивному физическому выветриванию подвержены глины морского происхождения, мергели, мел, опоки, трепел, диатомит. Известны случаи, когда в породах быстро развивалась трещиноватость, проникавшая на глубину в десятки сантиметров, существенно увеличивалась пористость породы, и происходило осыпание обломков.
Процесс развивался в течение нескольких месяцев и даже недель. Отрицательные последствия данный вид выветривания может иметь в котлованах и других выработках, предназначенных для дальнейшего освоения. Основной рекомендацией в таком случае будет соблюдение темпов строительства нулевого цикла с тем, чтобы воспрепятствовать ухудшению свойств грунтов в результате выветривания.
Разуплотнение – процесс увеличения в объеме пород, вскрытых на дне котлована. Процесс был впервые замечен при строительстве и выражался в том, что дно крупных котлованов приподнималось спустя некоторое время после вскрытия. Глубина проходки, при которой отмечалось разуплотнение, обычно составляла более десяти метров.
В большинстве случаев при вскрытии котлованов до указанных глубин разуплотнение не происходило вовсе – изредка оно отмечалось только в некоторых видах глинистых грунтов и очень редко в скальных породах. В песчаных и крупнообломочных грунтах разуплотнение не отмечалось.
В глинистых грунтах разуплотнение протекает некоторым образом, похожим на набухание за счет миграции связанной воды в область контакта грунта и поверхности вскрытия (при этом никакого поступления воды в выемку нет). В зависимости от состава, мощности глинистой толщи и глубины вскрытия возможен подъем дна котлована до первых десятков сантиметров. В грунтах при этом происходит увеличение пористости сжимаемости, а также снижение прочности.
Первоначально считалось, что разуплотнения в скальных породах быть не может, однако в 1970-х годах появились сообщения об обратном. Котлован на строительстве одной из сибирских ГЭС, заложенный в магматических породах, простоял открытым в течение многих месяцев.
По прошествии этого времени, когда наступила очередь бетонных работ, было замечено появление трещиноватости в породах вблизи дна котлована, причем подъем дна котлована был совершенно незначительным. Данный случай был также оценен как разуплотнение. Возникшая трещиноватость вызвала такие опасения, что было принято решение снять дополнительно несколько десятков сантиметров скальной породы со дна котлована.
Рекомендация по преодолению отрицательных последствий разуплотнения грунтов – скорейшее освоение вскрытых котлованов и своевременное строительство элементов нулевого цикла и всего сооружения.
Процессы на склонах
К этой группе процессов относятся водная эрозия, оползни, оплывины, осыпи, обвалы, лавины и сели.
При оценке инженерно-геологических условий какой-либо территории наличие или возможность развития большинства склоновых процессов рассматривается как отрицательное обстоятельство.
Каждый процесс в своем проявлении отчасти уникален, отчасти сходен с аналогичными процессами, развивающимися в других местах. По этой причине в одних случаях со склоновыми процессами можно успешно бороться, в других случаях их можно только ослабить, замедлить или частично предотвратить, а в третьих случаях воздействие на эти процессы малоэффективно.
Мероприятия по борьбе с развитием склоновых процессов в большинстве случаев сходны и чаще всего заключаются в уменьшении антропогенной и техногенной нагрузки, консервации склона, дополнительной высадке растений, организации поверхностного стока. Реже, при необходимости, выполняются различные инженерные работы.
Эрозия – процесс разрушения поверхностного слоя почв и горных пород текучими водами или ветром. Механизм развития эрозионного процесса может быть весьма разнообразным и для обозначения особенностей его протекания, места, характера воздействия на горные породы используются дополнительные термины плоскостная, линейная, боковая, донная, овражная и т.п. эрозия. Иногда используются слова, обозначающие провоцирующие факторы, послужившие толчком для начала процесса – транспортная, пастбищная, антропогенная эрозия.
Водная эрозия на склонах может развиваться по распределенной или сосредоточенной схеме в виде плоскостного смыва или линейного воздействия с образованием промоин и оврагов.
Плоскостной смыв (струйчатая эрозия) происходит за счет дождевых и талых вод по всей площади склона. Мелкими струйками вниз по склону переносятся и переоткладываются продукты выветривания преимущественно песчано-глинистого состава. Накопленный на склоне материал принято называть делювиальным чехлом (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Формирование делювиального слоя
Его мощность обычно увеличивается вниз по склону и составляет от первых сантиметров до первых метров. Делювий является ценным почвообразующим материалом, а залегающие под ним коренные породы, особенно скальные, обладают этим свойством в значительно меньшей степени.
Скорость плоскостного смыва целиком зависит от крутизны склона и густоты растительного покрова, особенно травянистого. В естественных условиях скорость поступления материала с водораздела и плоскостного смыва вниз находятся в некотором равновесии, и мощность делювия остается неизменной или же медленно нарастает.
В нарушенных условиях, обычно в результате деятельности человека, растительный и почвенный покров нарушаются, скорость плоскостной эрозии возрастает и происходит сначала смыв почвенного, а потом и всего делювиального слоя, что наносит невосполнимый вред природе.
Линейная эрозия на склонах проявляется в форме образования промоин и оврагов. Процесс начинается с нарушения почвенно-дернового слоя. Причиной могут являться сильные потоки воды при таянии снега, ливневые дожди или антропогенные факторы – чрезмерный выпас скота, передвижение техники, земляные работы и т.п. Первоначально промоина имеет небольшую глубину и протяженность, однако стекающая по ней вода довольно быстро удлиняет и углубляет промоину, прорезает сначала делювиальный покров, а потом и коренную породу.
По мере своего развития промоина превращается сначала в V-образный овраг с интенсивной донной и боковой эрозией, растущий в сторону верховьев. Постепенно овраг углубляется до уровня, соответствующего местному базису эрозии, его рост в глубину прекращается, а продолжается только рост в ширину и его форма теперь называется U-образной.
Далее по мере расширения оврага стенки его выполаживаются и он приобретает еще более широкую корытообразную форму. В этом случае овраг принято называть балкой. При рассмотрении продольной схемы оврага в нем могут наблюдаться участки со всеми тремя типами поперечного профиля (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Продольный и поперечный профили оврага:
а – V-образный профиль в верховьях; б – U-образный профиль в среднем течении; в – корытообразный профиль в нижней части склона
В верхней части овраг V-образный, в средней части U-образный, в нижней – корытообразный.
Интенсивность развития овражно-балочной сети зависит от климата, высоты местности над уровнем моря, возраста рельефа и размываемости пород, слагающих склоны. Наиболее быстрый рост оврагов происходит в районах с редкими, но обильными осадками. На территории Восточно-Европейской равнины – это центральные области России, южной Украины и Молдавии.
Оврагообразование наносит ощутимый вред народному хозяйству, в первую очередь аграрному сектору. Для предотвращения роста оврагов применяются различные мероприятия, такие как засыпка верховьев привозным грунтом, дополнительное насаждение растительности (особенно кустарниковой), построение перемычек из местных материалов и соблюдение технологии возделывания земель.
Итак, главным отрицательным итогом эрозионного процесса, является постоянная утрата материала почвенного покрова. Восстановление почв происходит значительно медленнее, чем их потеря, при том, что в масштабах всей планеты и отдельных регионов, темпы потерь почвенного покрова постоянно возрастают, в связи с ростом населения и развитием цивилизации. Быстрее всего эрозия развивается в аридных районах с горным рельефом. Плоскостная эрозия приводит к большим потерям почвенного материала, чем линейная, - суммарно многочисленные мелкие дождевые и талые потоки разрушают и переносят взвешенного материала больше, чем разрушают ручьи, образующие овраги.
С геологической точки зрения эрозия развивается стремительно, но не настолько, чтобы быть заметной на памяти одного человека, поэтому долгое время эрозия почв не считалась чем-либо опасным, пока не были проанализированы исторические материалы, указывающие на то, что в прежние века площадь плодородных земель на заселенных людьми территориях была больше.
Историки считают, что в районах Средиземноморья и Ближнего Востока сохранилось лишь 10-20% земель, покрытых полноценным почвенным покровом по сравнению с аналогичными площадями, существовавшими здесь 2-3 тысячи лет назад. О продолжении этого процесса свидетельствует также современная статистика многих стран мира, отмечающая постоянный вывод из оборота земель сельскохозяйственного назначения и сокращение площадей с сохранившейся дикой природой.
Главными противоэрозионными мероприятиями, позволяющими сберечь почвенный покров, считаются правильная организация поверхностного стока и соблюдение необходимых требований в земледелии – правильное расположение борозд, правильная технология полива и обработки почв, планирование и террасирование территорий, ликвидация оврагов.
Еще одним значительным отрицательным фактором эрозии является ее воздействие на уже возведенные инженерные сооружения. При развитии оврагов и интенсивной эрозии по берегам рек возможны сильные размывы грунтов. Известны многочисленные случаи аварий и разрушений, происходивших в таких условиях. Случаи наступления эрозии на застроенные территории обычно хорошо заметны и при своевременном проведении противоэрозионных мероприятий отрицательного воздействия не оказывают.
Оползни – это медленное смещение вниз по склону крупных масс глинистых пород. Главной причиной оползневого процесса является наличие в природе крутых склонов, сложенных целиком или имеющих в разрезе песчано-глинистые породы. Если вес некоторого объема грунта в составе склона будет превышать силы его сцепления с основной массой породы, то оползневое смещение будет неизбежным. Оползневой блок будет сдвигаться вниз до тех пор, пока не займет более устойчивое положение.
Другие факторы, способствующие оползневому процессу – это искусственная подрезка или размыв основания склона, дополнительное увлажнение, удаление части растительности, сотрясения склона при работе техники, транспорта, при землетрясениях.
Авторы предлагают различные классификации оползней в зависимости от размеров и формы оползневого тела, состава пород, слоистости, называя при этом следующие элементы геологической среды - тело оползня (оползневой блок или оползень-поток) и поверхность скольжения (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Оползень блокового типа:
а - оползневое тело; б - поверхность скольжения; в - оползневой цирк (поверхность срыва); г - оползневая ступень; д - вал выпирания; е - "пьяный" лес
Чуть выше тела оползня формируется оползневой цирк, а в земле могут образовываться трещины, называемые заколами. Если оползень произошел сравнительно недавно, в рельефе часто проявляется оползневая ступень, которая постепенно сглаживается, и в итоге может получиться ровный или бугристый склон. В случае, когда в результате смещения нижняя часть оползня слегка поднимается над поверхностью склона, это место называют валом выпирания.
Базисом оползания называется уровень, к которому стремится спуститься оползневой массив (фактически – нижняя точка поверхности скольжения). Для современного процесса – это подножье склона или дно долины реки. Вместе с тем в долинах рек, имеющих переуглубления или просто мощные толщи аллювия, встречаются древние оползни с базисом оползания, расположенным ниже поверхности земли. Такие оползни сформировались в предыдущие геологические времена, когда уровень реки и базис оползания располагались ниже современных.
Длиной оползня называется его размер сверху вниз вдоль по склону, шириной – размер по горизонтали поперек склона, а мощностью – расстояние вглубь от поверхности земли до поверхности скольжения. Размеры оползневых блоков могут варьировать от первых метров в длину и ширину до многих сотен метров. Размер отдельно взятого оползня зависит от высоты и крутизны склона, а также от состава пород в разрезе.
Смещение оползня обычно составляет несколько миллиметров или сантиметров в год, однако известны случаи, когда смещения составляли многие десятки метров. Особым, хотя и редким случаем, является срыв оползня, похожий на обвал, когда тело оползня перемещается на десятки метров за считанные секунды. По-видимому, аналогичным образом происходят подводные оползни - см. раздел "Абразия".
В обычных же условиях срыв оползня на склоне в населенном пункте может привести к разрушению построек и человеческим жертвам. Вместе с тем оползни способны стабилизироваться и не перемещаться в течение многих лет, а потом снова активизироваться при возникновении благоприятных условий. На местности современные оползневые участки нередко узнаются по произрастающему на них «пьяному лесу». Вследствие смещения грунтовых масс стволы деревьев приобретают наклоненную форму, которая через некоторое время изменяется на изогнутую, так как дерево стремится вернуть своему стволу вертикальное направление.
На Европейской части СНГ оползни развиты по долинам крупных рек – Волги, Оки, Москвы-реки, Дона, Днепра и др., а также по морским побережьям и на горных склонах Крыма, Кавказа, Карпат. Оползневые участки имеются в Москве, Нижнем Новгороде, Самаре, Саратове, Волгограде, Киеве, Одессе, на Южном берегу Крыма, Черноморском побережье Кавказа и многих других густо населенных местах.
Оползни доставляют немало неудобств, сложностей и даже аварий при строительстве и эксплуатации сооружений. Здание, построенное на оползневом массиве, будет испытывать недопустимые деформации и неизбежно трескаться (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Схема деформации сооружения, выстроенного на оползне
С учетом высокой стоимости земель в населенных пунктах оползневые участки могут успешно использоваться для различных целей за исключением многоэтажного строительства. Здесь могут быть разбиты парки и скверы, сады и виноградники, построены автомобильные стоянки и некрупные легкие сооружения.
Противооползневые мероприятия.
1. Необходимо выполнить крупномасштабное инженерно-геологическое картирование территории с выделением оползневых и устойчивых участков.
2. Наиболее действенная мера по стабилизации оползня – это отсыпка грунта в его нижней части (рис. 2.13).
3. Организация поверхностного стока – прокладка канав, лотков, ливневой канализации. За счет этого не происходит ни дополнительного увлажнения поверхности скольжения, ни роста массы оползня из-за инфильтрации поверхностной влаги.
4. Сохранение растительного покрова и дополнительная высадка деревьев и кустарников на оползневых склонах.
Рис. 2.13. Схема укрепления оползня за счет отсыпки грунта в нижней части склона
Если оползневой участок обладает особенной ценностью для населенного пункта, то могут выполняться еще два типа дорогостоящих инженерных мероприятий.
5. Устройство дренажа склона.
6. Укрепление массива оползня с помощью буронабивных свай.
Оплывинами называются смещения вниз по склону небольших приповерхностных масс грунта (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Оплывина
Внешне оплывины обычно проявляются в виде небольших бугров и трещин, протянувшихся поперек склона. Над свежей оплывиной бывает хорошо видна поверхность отрыва. Оплывины имеют сравнительно небольшие размеры от нескольких метров в длину и ширину до первых десятков метров. Под длиной оплывины подразумевается размер сверху вниз по склону, под шириной – размер по горизонтали. Мощность оплывины обычно не превышает одного метра.
Причины возникновения оплывин такие же, как и оползней – воздействие силы тяжести на породу, слагающую склон, дополнительное увлажнение, уничтожение растительности, нарушение почвенно-дернового покрова, подрезка и сотрясения склона.
Нередко оплывины возникают при весеннем оттаивании грунтов на склонах южной экспозиции. Сильно увлажненный оттаявший грунт сползает по границе с еще мерзлым грунтом, залегающим глубже. У подножья склона при этом накапливаются массы грунта очень характерного облика.
В области распространения многолетней мерзлоты данный процесс даже получил отдельное название – солифлюкция, от слов soil – земля и flow – течь. Отрицательным результатом оплывания грунтов является то, что оно может положить начало эрозионному процессу на склонах.
Трещины в дерново-почвенном слое, возникающие при оплывании, способны быстро разрастаться, превращаясь в промоины и овраги. По этой причине возникновение оплывин считается нежелательным процессом и для его предупреждения рекомендуется проведение мероприятий, сохраняющих и укрепляющих склон, аналогичных мероприятиям, проводимым для борьбы с водной эрозией и оползнями – консервация склона, высадка растений, организация стока, соблюдение требуемых уклонов при закладке насыпей и выемок и т.п.
Осыпи – это процесс падения и постепенного накопления на склонах обломков скальных пород, образующихся при выветривании (рис. 2.15).
Рис. 2.15.Осыпь
Размеры осыпей могут варьировать от первых метров в длину и ширину до многих сотен метров и даже первых километров сверху вниз по склону. Мощность осыпи может изменяться от десятков сантиметров до первых метров. В зависимости от крутизны склона и состава разрушающихся пород осыпи могут быть крупно-, средне- и мелкощебнистыми, содержать или не содержать песчано-глинистый заполнитель.
Движение осыпи может состоять в перекатывании отдельных обломков и в постепенном смещении вниз по склону всего массива. С поверхности осыпь может быть, как свежей, так и задернованной и даже залесенной. Причины подвижки осыпей те же, что и других склоновых процессов - сила тяжести, дополнительное увлажнение, сотрясения и подрезка склона, нарушение растительности.
Довольно распространенным является отрицательное воздействие осыпей на эксплуатируемые дороги. Оно проявляется в виде толкающего воздействия массива осыпи на сооружение и особенно часто в виде высыпания камней на дорожное полотно. В последнем случае с нагорной стороны дороги возводится и при необходимости надстраивается улавливающая стенка, а служба эксплуатации регулярно убирает упавшие на дорогу камни (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Осыпь (улавливающая стенка)
Непосредственно на массиве осыпи строительство обычно не производится вследствие ее неустойчивости. В случае необходимости материал осыпи удаляется и основание сооружения располагается на коренных породах.
Возможно использование щебня осыпи как местного строительного материала, но при этом камни могут быть трещиноватыми, выветрелыми, местами покрытыми мхом, содержать глинистый заполнитель. Запасы незначительные.
Обвал - одновременное падение большого количества каменного материала. Главная причина обвалов - мощные сотрясения - естественные и искусственные, такие как землетрясения и взрывы. Прочие причины те же, что и других склоновых процессов.
Обвалы могут случаться с частотой от нескольких лет до многих тысяч лет. Для правильного освоения территорий необходимо выявить обвалоопасные и необвалоопасные участки. Обвалоопасные участки узнаются по распространению на них свежих глыб горных пород, коренное залегание которых находится выше по склону, по наличию утесов и останцов, по историческим данным и опросу местного населения.
Лавина - обвал снега в горах. К весне снег уплотняется, перекристаллизовывается небольшими гранулами и становится тяжелым. Человек, заваленный таким снегом, самостоятельно выбраться из-под него не может и быстро погибает от удушья. Имеются направления, называемые лавиноопасными, на которых лавины случаются почти каждый год.
Капитальные сооружения без специальной защиты здесь не возводятся. Наибольший ущерб лавины наносят автодорогам, участки которых закрываются на лавиноопасный период. Для упорядочения графика движения с помощью взрывов и обстрела производят искусственный сход лавин. Задача геологической службы - составить карты и определить периоды опасности лавин.
Сель - горный грязе-каменный поток большой разрушительной силы. Периодичность - раз в несколько десятков лет. На территории СНГ сели чаще случаются на Кавказе и в горах Средней Азии и редко в горах с более холодным климатом. Твердым материалом для селя служат скопившиеся на склонах продукты выветривания горных пород - песчано-глинистые и щебнисто-глыбовые накопления.
В случае затяжной весны или долгого периода дождей минеральный материал увлажняется до текучего состояния. В какой-то момент за счет ливневых дождей или сотрясения минеральный материал срывается со склонов и устремляется вниз по долине ближайшей реки горной реки, где образуется единый грязе-каменный поток, сильно превышающий уровень самой реки.
Мощный сель имеет большую скорость и разрушающую силу. Он сносит и полностью перекрывает жилые постройки, вырывает с корнем деревья, сдвигает насыпи, приводит к гибели людей. В месте выхода горной реки на равнину селевой поток теряет силу, растекается по большой площади и откладывается в форме, сходной с пролювиальными отложениями.
Из истории известны случаи катастрофических селей, жертвами которых стали тысячи людей. После схода очередного селя количество продуктов выветривания на склонах уменьшается и для их восстановления требуется несколько десятков лет, когда создадутся условия для следующего селя.
Противоселевые мероприятия. В первую очередь необходимо определение площадей питания, транзита и отложения селей. Для этого выполняются геолого-съемочные работы, а также изучаются исторические материалы. Вблизи населенных пунктов в случае необходимости возводятся специальные плотины, дамбы, селеуловители, селепропуски, проводится лесомелиорация склонов.
Крип - этим термином принято называть смещение вниз по склону массы породы (осыпи, оплывины), вызванное периодическим изменением объема. При дневном нагревании солнцем склоновая масса чуть увеличивается в объеме, в том числе удлиняется, но растягивается только вниз. При ночном остывании происходит сжатие, при этом вниз подтягивается верхняя часть геологического тела. Аналогичным образом крип может развиваться при сезонном промерзании-оттаивании или при набухании глинистых грунтов.